电力电子牵引变压器中DC-DC变换器的优化功率平衡方法技术

本发明专利技术公开一种电力电子牵引变压器中DC‑DC变换器的优化功率平衡方法，根据输出并联双有源全桥DC‑DC变换器建立其在扩展相移控制下的传输功率模型以及电流应力模型，结合拉格朗日乘子法推导了其在电流应力优化控制方法下的内相移量与外相移量；进一步地，为了提高变换器的动态特性，借鉴于直接功率控制的思想，对变换器的实际传输功率进行推导和求解，对变换器的传输功率损耗进行补偿，得到最终的优化相移控制量。本发明专利技术不仅可以实现各个模块的传输功率均衡，同时对于变换器负载电阻以及输入电压的突变能够迅速响应；具有动态响应快、效率高、控制过程简单且易于数字实现等优点，具有较强的实用性。

An optimized power balance method for DC-DC converters in power electronic traction transformers

The invention discloses an optimum power balance method of DC_DC converter in power electronic traction transformer. According to the output parallel dual active full bridge DC_DC converter, the transmission power model and current stress model under extended phase shift control are established. Combined with Lagrange multiplier method, the optimum control method of current stress is deduced. Furthermore, in order to improve the dynamic characteristics of the converter, the actual transmission power of the converter is deduced and solved by using the idea of direct power control, and the transmission power loss of the converter is compensated. The invention can not only realize the transmission power balance of each module, but also respond quickly to the sudden change of the load resistance and input voltage of the converter. It has the advantages of fast dynamic response, high efficiency, simple control process and easy digital realization, and has strong practicability.

【技术实现步骤摘要】
电力电子牵引变压器中DC-DC变换器的优化功率平衡方法
本专利技术涉及电力电子的
，具体为电力电子牵引变压器中DC-DC变换器的优化功率平衡方法。
技术介绍
高速铁路作为一种经济、便捷、环保的公共交通方式，在促进城市经济发展、改善环境污染以及提高人民生活水平方面均起着重要作用。新一代高速铁路的发展趋向于高效率、低噪声以及轻量化等等，然而体积和质量庞大的工频变压器成为减小列车能量耗散、增加列车功率密度的主要障碍之一。因此，具有节能环保以及功率密度高等优点的电力电子牵引变压器被视为下一代高速列车的核心装备。目前，广泛采用的电力电子牵引变压器拓扑包括单相级联H桥整流器、输出并联的双有源全桥DC-DC变换器以及三相牵引逆变器。然而在实际应用中，由于变换器电路参数不匹配而导致的传输功率不平衡问题无法避免。不平衡的传输功率将进一步使得变换器的电压/电流变化率增加、系统振荡甚至开关器件的损坏。因此，针对输出并联的双有源全桥DC-DC变换器，实现各个模块的传输功率均衡十分重要。此外，针对电力电子牵引变压器列车牵引传动系统，在单相级联H桥整流器的直流侧(即DC-DC变换器的输入端)中总是会存在二倍频的电压纹波，这将会进一步导致牵引电机的拍频现象。因此，进一步提高电力电子牵引变压器中输出并联双有源全桥DC-DC变换器动态响应以面对输入电压的波动十分重要。同时，在现有的电力电子牵引变压器控制算法中，单相移控制被广泛使用，这无疑会增大变换器的电感电流应力、降低变换器的效率。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的目的在于提供一种能够提高变换器的效率和动态特性、同时能够解决变换器各个模块传输功率均衡等问题的用于电力电子牵引变压器中DC-DC变换器的优化功率平衡方法。技术方案如下：一种电力电子牵引变压器中DC-DC变换器的优化功率平衡方法，包括：S1：根据电力电子牵引变压器中输出并联双有源全桥DC-DC变换器在扩展相移控制下的电压与电流关系，推导第i个双有源全桥DC-DC变换器的传输功率以及电流应力表达式：其中，Pi表示第i个双有源全桥DC-DC变换器的传输功率；Ipi表示第i个双有源全桥DC-DC变换器的电流应力；Udci表示第i个双有源全桥DC-DC变换器的输入电压；Uo为输出电压；f为开关频率；Li为第i个双有源全桥DC-DC变换器的辅助电感；n为中-高频变压器的变比；Di1、Di2分别为第i个双有源全桥DC-DC变换器在扩展相移控制下的内相移量和外相移量；ki表示第i个双有源全桥DC-DC变换器的电压转换比；S2：结合拉格朗日函数与第i个双有源全桥DC-DC变换器的传输功率以及电流应力模型，计算得到第i个双有源全桥DC-DC变换器在基于扩展相移控制的电流应力优化算法下的优化控制相移量Di1和Di2之间的关系：其中，pi表示第i个双有源全桥DC-DC变换器的传输功率标幺值；S3：结合变换器在扩展相移控制下的功率模型，计算得到优化控制相移量Di1和Di2：S4：考虑到变换器的损耗，其实际传输功率与输出功率并不相等，结合直接功率控制的思想，将第i个双有源全桥DC-DC变换器的实际传输功率标幺值表示为：其中，Uo*为变换器的输出电压参考值；io为变换器的输出电流；N表示电力电子牵引变压器中输出并联双有源全桥DC-DC变换器的模块数；Ud为变换器的动态电压补偿分量，其为输出电压经过PI控制器之后的输出值。进一步的，推导第i个双有源全桥DC-DC变换器的传输功率以及电流应力表达式的方法包括：根据电力电子牵引变压器中输出并联双有源全桥DC-DC变换器在扩展相移控制下的H桥交流输出电压与电感电流关系，第i个双有源全桥DC-DC变换器的传输功率Pi以及电流应力Ipi表示为：其中，iLi(t)表示第i个双有源全桥DC-DC变换器的电感电流；Uabi表示第i个双有源全桥DC-DC变换器原边侧H桥的交流输出电压；Ts为开关周期。更进一步的，获取第i个双有源全桥DC-DC变换器在基于扩展相移控制电流应力优化算法下的内相移量与外相移量间关系的方法为：S21：对第i个双有源全桥DC-DC变换器的传输功率以及电流应力进行标幺化处理，定义第i个双有源全桥DC-DC变换器的传输功率和电流应力额定值为：S22：推到得第i个双有源全桥DC-DC变换器的传输功率以及电流应力标幺值为：S23：构建拉格朗日函数，定义拉格朗日函数为：其中，Ei表示第i个拉格朗日函数；λi为第i个拉格朗日乘子；pi*为第i个双有源全桥DC-DC变换器的输出功率给定值；ipi为第i个双有源全桥DC-DC变换器的电流应力标幺值；S24：对拉格朗日函数进行求导得：S25：消去拉格朗日函数中的λi，得到得外相移量Di2与内相移量Di1之间的关系式。更进一步的，获取所述第i个双有源全桥DC-DC变换器的实际传输功率标幺值的方法为：为了补偿变换器的传输功率损耗，第i个双有源全桥DC-DC变换器的实际传输功率P*表示为动态电压分量Ud与输出电流参考值io*的乘积：同时，第i个双有源全桥DC-DC变换器的额定传输功率定义为：则第i个双有源全桥DC-DC变换器的实际传输功率标幺值表示为：本专利技术的有益效果是：本专利技术针对电力电子牵引变压器中的输出并联双有源全桥DC-DC变换器建立了其在扩展相移控制下的传输功率模型以及电流应力模型，结合拉格朗日乘子法推导了其在电流应力优化控制方法下的内相移量与外相移量；进一步地，为了提高变换器的动态特性，借鉴于直接功率控制的思想，对变换器的实际传输功率进行推导和求解，对变换器的传输功率损耗进行补偿，得到最终的优化相移控制量；本专利技术提出的优化功率控制和平衡方法，不仅可以实现各个模块的传输功率均衡，同时对于变换器负载电阻以及输入电压的突变能够迅速响应；具有动态响应快、效率高、控制过程简单且易于数字实现等优点，具有较强的实用性。附图说明图1为电力电子牵引变压器的电力牵引传动系统结构图。图2为输出并联双有源全桥DC-DC变换器拓扑结构图。图3为双有源全桥DC-DC变换器在扩展相移控制方法(0≤Di1≤Di2≤1)下变压器两侧的电压与电感电流波形示意图。图4为双有源全桥DC-DC变换器在扩展相移控制方法(0≤Di2≤Di1≤1)下变压器两侧的电压与电感电流波形示意图。图5为输出并联双有源全桥DC-DC变换器在优化功率控制与平衡方法下的控制框图。图6为输出并联双有源全桥DC-DC变换器由传统扩展相移控制算法切换到优化功率控制与平衡算法时变换器各个模块的输出电流实验波形图。图7为输出并联双有源全桥DC-DC变换器在传统扩展相移控制算法下负载切换时的电压电流波形图。图8为输出并联双有源全桥DC-DC变换器在优化功率控制与平衡算法下负载切换时的电压电流波形图。图9为输出并联双有源全桥DC-DC变换器在传统扩展相移控制算法下输入电压切换时的电压电流实验波形图。图10为输出并联双有源全桥DC-DC变换器在优化功率控制与平衡算法下输入电压切换时的电压电流实验波形图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术做进一步详细说明。本实施例根据图2所示的输出并联双有源全桥DC-DC变换器的拓扑结构图，对用于电力电子牵引变压器中输出并联双有源全桥DC-DC变换器的优化功率平衡方法进行详细描述。首先本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电力电子牵引变压器中DC‑DC变换器的优化功率平衡方法，其特征在于，包括：S1：根据电力电子牵引变压器中输出并联双有源全桥DC‑DC变换器在扩展相移控制下的电压与电流关系，推导第i个双有源全桥DC‑DC变换器的传输功率以及电流应力表达式：

【技术特征摘要】
1.一种电力电子牵引变压器中DC-DC变换器的优化功率平衡方法，其特征在于，包括：S1：根据电力电子牵引变压器中输出并联双有源全桥DC-DC变换器在扩展相移控制下的电压与电流关系，推导第i个双有源全桥DC-DC变换器的传输功率以及电流应力表达式：其中，Pi表示第i个双有源全桥DC-DC变换器的传输功率；Ipi表示第i个双有源全桥DC-DC变换器的电流应力；Udci表示第i个双有源全桥DC-DC变换器的输入电压；Uo为输出电压；f为开关频率；Li为第i个双有源全桥DC-DC变换器的辅助电感；n为中-高频变压器的变比；Di1、Di2分别为第i个双有源全桥DC-DC变换器在扩展相移控制下的内相移量和外相移量；ki表示第i个双有源全桥DC-DC变换器的电压转换比；S2：结合拉格朗日函数与第i个双有源全桥DC-DC变换器的传输功率以及电流应力模型，计算得到第i个双有源全桥DC-DC变换器在基于扩展相移控制的电流应力优化算法下的优化控制相移量Di1和Di2之间的关系：其中，pi表示第i个双有源全桥DC-DC变换器的传输功率标幺值；S3：结合变换器在扩展相移控制下的功率模型，计算得到优化控制相移量Di1和Di2：S4：考虑到变换器的损耗，其实际传输功率与输出功率并不相等，结合直接功率控制的思想，将第i个双有源全桥DC-DC变换器的实际传输功率标幺值表示为：其中，Uo*为变换器的输出电压参考值；io为变换器的输出电流；N表示电力电子牵引变压器中输出并联双有源全桥DC-DC变换器的模块数；Ud为变换器的动态电压补偿分量，其为输出电压经过PI控制器之后的输出值。2.根据权利要求1所述的用于电力电子牵引变压器中DC-DC变换器的优化功率平衡方法，其特征在于，推导第i个双有源全桥DC-DC变换器的传输功率以及电流应力表达式...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋文胜，安峰，杨柯欣，冯晓云，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：四川,51